楊 帆 于建軍 馬繼明

(1.河北科技師范學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，河北秦皇島 066004; 2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安 710055)

豎向地震作用對(duì)建筑—文物系統(tǒng)的影響研究★

楊 帆1于建軍1馬繼明2

(1.河北科技師范學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，河北秦皇島 066004; 2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安 710055)

通過(guò)建立三維有限元模型，從各樓層節(jié)點(diǎn)位移、加速度、結(jié)構(gòu)頂層節(jié)點(diǎn)加速度等方面，探討了8層無(wú)大跨和長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)博物館建筑在7度與8度地震作用下，其豎向地震分量對(duì)建筑—文物系統(tǒng)影響，最終得出了一些有意義的結(jié)論。

中高烈度區(qū)，豎向地震作用，博物館，建筑—文物系統(tǒng)

0 引言

當(dāng)前，在博物館結(jié)構(gòu)抗震減震設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)中高烈度區(qū)無(wú)大跨和長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)建筑，其建筑—文物系統(tǒng)的豎向地震作用往往被忽視。近年來(lái)，葉列平等研究了豎向地震作用對(duì)地震災(zāi)區(qū)混凝土框架結(jié)構(gòu)的影響［1］;趙守江研究了古建木結(jié)構(gòu)及其內(nèi)陳文物地震反應(yīng)分析［2］;鄢興祥等研究了博物館新館基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)樓層譜［3］，Romero E M研究了能量耗散對(duì)高層建筑的影響［4］，取得了一定的成果，但豎向地震作用對(duì)博物館—文物系統(tǒng)防震安全影響還有待進(jìn)一步研究。本文以某8層框架結(jié)構(gòu)為例，著眼于文物系統(tǒng)的防震安全，以7度、8度地震作用豎向分量對(duì)博物館建筑結(jié)構(gòu)—文物系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析，以探討整體系統(tǒng)向高層發(fā)展的可能性。

1 建筑結(jié)構(gòu)—文物系統(tǒng)建模及系統(tǒng)動(dòng)力分析方法

JGJ 66—1991博物館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范3.1.3條規(guī)定［5］，陳列室不宜布置在4層或4層以上。隨著文物藏品增多和建筑技術(shù)的提高，客觀上要求博物館加大建筑高度并提高藏品陳列層數(shù)，框架結(jié)構(gòu)因具有布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，因而博物館建筑較多采用。本文考慮了水平短邊單向輸入、水平短邊—豎向輸入，研究在7度多遇、7度罕遇、8度多遇、8度罕遇情況下，豎向地震作用對(duì)8層框架建筑結(jié)構(gòu)—文物系統(tǒng)的影響。

1.1 三維有限元模型建立

該建筑物為乙類(lèi)高層建筑，總高度29.2 m。標(biāo)準(zhǔn)層平面和立面如圖1所示，柱子和梁尺寸分別為700 mm×700 mm，400 mm× 700 mm?，F(xiàn)澆板厚150 mm?？蚣軐硬蛔兒奢d取為5.0 kN/m2，可變荷載按《博物館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》取為4.0 kN/m2。建筑物抗震設(shè)防烈度為7度，抗震等級(jí)為二級(jí)，阻尼比取0.05。建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期為0.35 s。利用SAP2000程序建立三維有限元模型。采用框架模型生成柱、梁，樓板采用薄殼模型。

圖1 結(jié)構(gòu)分布圖

1.2 建筑—文物系統(tǒng)動(dòng)力分析方法

建筑—文物系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析有兩種方法:1)建立結(jié)構(gòu)—文物系統(tǒng)整體模型，輸入地震波進(jìn)行分析;2)建立結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)基于地震波輸入的時(shí)程分析法得到文物所處位置樓層的地震響應(yīng)，將此結(jié)果作為文物展示系統(tǒng)的初始輸入，利用平均加速度法、線性加速度法、Newmark-β法、Wilson-θ法等進(jìn)行計(jì)算［6］。由于文物系統(tǒng)尺寸、質(zhì)量相對(duì)較小，建立建筑—文物整體系統(tǒng)模型分析及采用整體樓面譜法進(jìn)行計(jì)算效果不理想，故而本文采用第二種，即采用分段法，由地震輸入時(shí)程分析法求得任意第i層樓面加速度將文物系統(tǒng)視為單自由度系統(tǒng)，將時(shí)間區(qū)間［0，T］劃分為n個(gè)等分段，各等分點(diǎn)分別為t0，t1，…，tn－1，tn，其控制方程為:

由線性加速度法，在相鄰時(shí)段(tk－1，tk)內(nèi)，加速度滿足式(2):

考慮其初始條件，結(jié)合式(1)，式(2)求出體系在任一時(shí)刻的地震響應(yīng)，從而進(jìn)一步分析文物系統(tǒng)的防震安全性能。

2 地震波輸入及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

2.1 地震波選取及工況分組

根據(jù)建筑場(chǎng)地類(lèi)別和設(shè)計(jì)地震分組等因素，選取El Centro波南北向(N—S向，峰值為341.7 cm/s2，時(shí)間間隔0.02 s)和上下向(V向，峰值為－206.35 cm/s2，時(shí)間間隔0.02 s)，按7度多遇、7度罕遇、8度多遇、8度罕遇情況經(jīng)調(diào)幅后作用于結(jié)構(gòu)，研究其地震響應(yīng)，阻尼比為0.05。為便于分析豎向地震的影響，對(duì)基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)僅考慮水平短邊單向和水平短邊—豎向兩向地震作用，進(jìn)行地震反應(yīng)時(shí)程分析。

2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，提取12階模態(tài)，其中前6階周期見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)自振周期

由表1可以看出，結(jié)構(gòu)第一周期T1=1.332 3 s，整體偏柔。第4階振型與前3階相比，周期、頻率等有明顯改變，結(jié)構(gòu)振動(dòng)以前3階振型為主。

3 中高烈度區(qū)博物館建筑結(jié)構(gòu)—文物系統(tǒng)豎向地震作用影響分析

文物系統(tǒng)的地震響應(yīng)強(qiáng)弱除與自振周期、外形等有關(guān)外，還與存放樓層位置及方位等因素有關(guān)。為便于分析，選取結(jié)構(gòu)③軸線③-?柱不同樓層各節(jié)點(diǎn)7度、8度地震響應(yīng)進(jìn)行討論。

3.1 豎向地震作用對(duì)各樓層節(jié)點(diǎn)位移的影響

③-?柱各層節(jié)點(diǎn)X，Y，Z向最大位移變化如圖2所示。由圖2可知:

1)7度、8度同等地震輸入下，是否考慮豎向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)X向、Y向地震響應(yīng)影響不大，其位移值與地震輸入能量大小和輸入方向關(guān)系密切。對(duì)X向位移值，7度罕遇和8度罕遇地震作用下，隨樓層高度的加大，均出現(xiàn)明顯的非線性，3層、4層、6層樓頂出現(xiàn)明顯的位移峰值變化，8層樓頂位移最大。Y向位移值隨地震輸入的增大，顯現(xiàn)近似線性關(guān)系，8度罕遇情況位移偏大。結(jié)構(gòu)3層以上位移變化幅度加大，對(duì)博物館3層以上樓層陳列文物時(shí)應(yīng)對(duì)浮放文物的抗滑移性進(jìn)行研究。

圖2 各樓層節(jié)點(diǎn)的最大位移

2)豎向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)豎向位移影響不容忽視。7度罕遇、8度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)頂層節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)，單向輸入與雙向輸入相比，忽視豎向地震影響后，其位移值偏小了6.81%，6.92%。

3.2 豎向地震作用對(duì)博物館各層加速度的影響

圖3 ③-?柱各樓層節(jié)點(diǎn)的最大加速度

圖3 給出了③-?柱各樓層節(jié)點(diǎn)最大加速度變化情況。圖3表明:

1)綜合來(lái)看，7度、8度同等地震輸入下，豎向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)X向、Y向加速度影響不大，地震加速度響應(yīng)的大小主要取決于外界地震輸入能量的大小方向。對(duì)8度多遇、7度罕遇和8度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值加大的情況，應(yīng)重視樓層的放大效應(yīng)影響。7度罕遇、8度罕遇情況，結(jié)構(gòu)X向、Y向3層以上峰值均出現(xiàn)明顯振蕩。加速度峰值的急劇變化會(huì)引起文物系統(tǒng)地震響應(yīng)的變化，對(duì)浮放或半浮放文物極其不利。

2)結(jié)構(gòu)豎向加速度受豎向地震作用影響較大。8度多遇兩向地震作用加速度超過(guò)了8度罕遇單向加速度。7度、8度罕遇情況，忽視豎向地震作用后，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)峰值加速度將分別減小84.54%和84.53%。豎向加速度的變化易引起立放文物的傾覆，對(duì)文物系統(tǒng)防震不利。

3.3 豎向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)頂層節(jié)點(diǎn)加速度時(shí)程影響

圖4 結(jié)構(gòu)頂層③-?柱節(jié)點(diǎn)的豎向加速度時(shí)程分析

圖4 為7度、8度罕遇地震輸入下，結(jié)構(gòu)頂層③-?柱同一節(jié)點(diǎn)豎向加速度時(shí)程分析。

對(duì)結(jié)構(gòu)相同節(jié)點(diǎn)有:1)同等地震輸入下，考慮豎向地震作用后，節(jié)點(diǎn)豎向加速度峰值明顯提高，且各峰值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間提前，如7度、8度情況，第一峰值點(diǎn)變化分別為:1.8 s→0.8 s，1.8 s→0.7 s。2)峰值點(diǎn)有加大融合，多峰化趨勢(shì)。如前9 s內(nèi)，7度主峰由3個(gè)變?yōu)?個(gè)，8度主峰由3個(gè)變?yōu)?個(gè)。豎向地震響應(yīng)峰值點(diǎn)加大并出現(xiàn)多峰值點(diǎn)情況，對(duì)文物系統(tǒng)，將會(huì)產(chǎn)生加大的沖擊作用，對(duì)類(lèi)似陶瓷等易碎文物、自身有設(shè)計(jì)缺陷或有裂痕文物等極易造成損傷，并可能導(dǎo)致立放、未完全固定文物的傾覆。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)7度、8度罕遇地震作用下博物館建筑—文物系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，探討了中高烈度區(qū)豎向地震作用對(duì)系統(tǒng)的影響，得出了如下結(jié)論:

1)中高烈度同等地震輸入下，豎向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)水平向各樓層相同節(jié)點(diǎn)位移、加速度影響不大，地震響應(yīng)的大小主要取決于外界地震輸入能量的大小及作用方向，但對(duì)結(jié)構(gòu)3層及以上節(jié)點(diǎn)加速度峰值隨樓層提高出現(xiàn)回蕩現(xiàn)象應(yīng)引起重視，同時(shí)應(yīng)考慮樓層放大效應(yīng)影響。在博物館3層及以上陳列文物時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗滑移研究。2)豎向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)豎向位移和加速度的影響不容忽視。豎向地震作用明顯加大了豎向響應(yīng)，地震輸入能量越大，作用越明顯。對(duì)立放文物的抗傾覆性要引起重視。3)豎向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)頂層節(jié)點(diǎn)豎向加速度影響顯著，豎向分量可能會(huì)引起峰值融合加大、提前出現(xiàn)情況，容易造成文物的沖擊破壞，且樓層層數(shù)越高，響應(yīng)放大效應(yīng)越大。

［1］清華大學(xué)，西南交通大學(xué).汶川地震建筑震害分析及設(shè)計(jì)對(duì)策［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009:154-162.

［2］趙守江.古建木結(jié)構(gòu)及其內(nèi)陳文物地震反應(yīng)分析［D］.哈爾濱:中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2012.

［3］鄢興祥，朱玉華.云南昆明博物館新館基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)樓層譜分析［J］.工程抗震與加固改造，2011，33(6):45-51.

［4］Romero E M.Supplementary energy dissipation for maximum earthquake protection of tall building structures［J］.The Structural Design of Tall Buildings，1995，4(1):91-101.

［5］JGJ 66—1991，博物館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］呂西林，周德源.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與實(shí)例［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2011:104-106.

Research of effects of vertical earthquake action on building-cultural relics system★

Yang Fan1Yu Jianjun1Ma Jiming2
(1.College of Urban Construction，Hebei Normal University of Science and Technology，Qinhuangdao 066004，China; 2.College of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China)

Through establishing three-dimensional finite element model，starting from aspects of floor joints displacement acceleration，structural top joint acceleration，the paper explores the impact of vertical earthquake action upon building-cultural relic system of the museum building of the 8-story non-large-span and long-cantilever at degree 7 and degree 8 earthquake，and finally draws some meaningful conclusions.

medium-high intensity area，vertical earthquake action，museum，building-cultural relic system

TU352

:A

1009-6825(2016)36-0032-03

2016-10-12 ★:河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“博物館建筑結(jié)構(gòu)-文物系統(tǒng)的防震安全研究”(項(xiàng)目編號(hào):13275802)

楊 帆(1990-)，男，碩士，助教; 于建軍(1978-)，男，博士，講師; 馬繼明(1979-)，男，博士，高級(jí)工程師